地鐵車輛轉(zhuǎn)向架柔性產(chǎn)品平臺(tái)設(shè)計(jì)方法研究

任坤華 韓 鑫 張海柱 王晨曦 郭 恒

(1.中車工業(yè)研究院有限公司，100067，北京;2.西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院先進(jìn)設(shè)計(jì)與制造研究所，610031，成都∥第一作者，高級(jí)工程師)

轉(zhuǎn)向架是地鐵車輛的核心部件，直接影響到列車的牽引、制動(dòng)、承載等性能。目前，地鐵轉(zhuǎn)向架研發(fā)面臨以下挑戰(zhàn):其一是如何快速響應(yīng)客戶多樣化、個(gè)性化的需求;其二是如何提高零部件的重用率。針對(duì)上述兩個(gè)問題，目前學(xué)界與業(yè)界普遍采用產(chǎn)品平臺(tái)與產(chǎn)品族策略予以應(yīng)對(duì)［1］。產(chǎn)品平臺(tái)是組成公共架構(gòu)的子系統(tǒng)及其接口的集合，在架構(gòu)基礎(chǔ)上可以源源不斷地派生出功能相似、性能不同的產(chǎn)品集合，即產(chǎn)品族［2］。產(chǎn)品平臺(tái)與產(chǎn)品族策略可以在不犧牲企業(yè)規(guī)模經(jīng)濟(jì)的情況下，盡可能地滿足客戶多樣化、個(gè)性化的需求，從而使企業(yè)獲取范圍經(jīng)濟(jì)效益［1］。國(guó)外的阿爾斯通公司、龐巴迪公司和西門子公司等知名企業(yè)，經(jīng)過多年來的發(fā)展和技術(shù)積累，建立了內(nèi)燃與電力機(jī)車產(chǎn)品平臺(tái)［3］。近年來，中國(guó)中車股份有限公司的各大主機(jī)廠，如中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司、中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司、中車唐山機(jī)車車輛有限公司、中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司等都已開始關(guān)注軌道交通車輛產(chǎn)品平臺(tái)的建設(shè)［4］。

然而，目前我國(guó)軌道交通車輛產(chǎn)品平臺(tái)多采用穩(wěn)健設(shè)計(jì)思想進(jìn)行構(gòu)建，產(chǎn)品平臺(tái)的組成元素主要是響應(yīng)預(yù)定義需求的通用模塊集合。此外，產(chǎn)品平臺(tái)的研究多集中于模塊劃分與平臺(tái)元素識(shí)別［5］，而針對(duì)平臺(tái)模塊如何設(shè)計(jì)的研究還較為匱乏。因此，針對(duì)上述問題，本文定義了地鐵轉(zhuǎn)向架柔性產(chǎn)品平臺(tái)的內(nèi)涵，并且提出了一套地鐵轉(zhuǎn)向架通用模塊與柔性模塊的設(shè)計(jì)方法，以提高企業(yè)響應(yīng)多樣性、個(gè)性化客戶需求的能力。

1 地鐵車輛轉(zhuǎn)向架柔性產(chǎn)品平臺(tái)定義

世界市場(chǎng)已從傳統(tǒng)穩(wěn)定型演變?yōu)閯?dòng)態(tài)多變型，企業(yè)的研發(fā)模式也相應(yīng)地從大批量生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)變?yōu)镸C(大規(guī)模定制)方式。“模塊化”在21世紀(jì)初再次被提出并取得了較快的發(fā)展，其特點(diǎn)是將復(fù)雜系統(tǒng)化整為零進(jìn)行處理，把高度困難的任務(wù)變得相對(duì)容易［6］。為平衡產(chǎn)品多樣性與成本之間的矛盾，產(chǎn)品平臺(tái)與產(chǎn)品族策略進(jìn)一步被提出。該策略核心是構(gòu)建產(chǎn)品主結(jié)構(gòu)，并基于主結(jié)構(gòu)不斷衍生新產(chǎn)品。產(chǎn)品主結(jié)構(gòu)由通用模塊、定制模塊，以及配置機(jī)制3部分組成［7］。其中，通用模塊旨在幫助企業(yè)實(shí)現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟(jì)效益，而定制模塊旨在滿足客戶定制化的需求，幫助企業(yè)實(shí)現(xiàn)范圍經(jīng)濟(jì)效益。定制模塊雖滿足了客戶多樣化的需求，但其定制成本往往較高、定制時(shí)間較長(zhǎng)。為此，第3類模塊即柔性模塊被提出，它旨在通過參數(shù)化變型設(shè)計(jì)以較低的投資成本達(dá)到定制模塊的效果［8］。

柔性產(chǎn)品平臺(tái)由通用模塊與柔性模塊組成［8］。地鐵轉(zhuǎn)向架柔性產(chǎn)品平臺(tái)的內(nèi)涵見表1。

表1 地鐵車輛轉(zhuǎn)向架柔性產(chǎn)品平臺(tái)模塊內(nèi)涵Tab.1 Connotation of flexible product platform module for metro vehicle bogie

目前，學(xué)界已有大量關(guān)于產(chǎn)品平臺(tái)元素識(shí)別的研究，包括定性識(shí)別與定量識(shí)別2個(gè)方面［5］。定性識(shí)別是一種主觀分析方法，主要基于啟發(fā)式規(guī)則識(shí)別模塊類型;定量識(shí)別是指將平臺(tái)元素識(shí)別視為一個(gè)分類問題，模塊被劃分到的區(qū)域即為該區(qū)域所定義的模塊類型。目前，產(chǎn)品平臺(tái)元素識(shí)別的研究已經(jīng)日趨成熟，但是平臺(tái)元素設(shè)計(jì)的研究還較為匱乏。因此，本文主要針對(duì)已識(shí)別的通用模塊與柔性模塊，分析其模塊實(shí)例或變型結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法。

2 基于多屬性決策的通用模塊設(shè)計(jì)

本文采用多屬性決策方法從已有實(shí)例中確定通用模塊實(shí)例。由于轉(zhuǎn)向架由自制件與外購件組成，因此，其決策模型亦包括自制件與外購件兩部分，如圖1所示。

圖1 地鐵轉(zhuǎn)向架通用模塊實(shí)例多屬性決策模型Fig.1 Multi-attribute decision-making model of general module for metro bogie

自制件與外購件決策模型的結(jié)構(gòu)相同，屬性值不同。模型分為4層［9］:最高層是目標(biāo)層，在已有的多個(gè)模塊實(shí)例中選擇符合要求的最優(yōu)模塊實(shí)例;第2層是準(zhǔn)則層，針對(duì)研究對(duì)象從可重用性、可靠性、供應(yīng)商評(píng)分、成本等4方面對(duì)模塊實(shí)例評(píng)估;第3層是指標(biāo)層，對(duì)準(zhǔn)則層進(jìn)一步細(xì)化;最底層是方案層，即已有的多個(gè)模塊實(shí)例。

多屬性決策模型的構(gòu)建及求解步驟如下:

1)構(gòu)建初始決策矩陣Y。基于k個(gè)方案與i個(gè)指標(biāo)，構(gòu)建k×i的初始化指標(biāo)決策矩陣:

式中:

yk，i——第k個(gè)方案關(guān)于第i個(gè)指標(biāo)的屬性值;

m——方案總數(shù);

n——指標(biāo)總數(shù)。

2)構(gòu)建規(guī)范化指標(biāo)決策矩陣Y0。采用文獻(xiàn)［10］中的規(guī)范化方法對(duì)決策矩陣Y進(jìn)行規(guī)范化處理，得到規(guī)范化的指標(biāo)決策矩陣Y0:

式中:

yk，i，0——第k個(gè)方案關(guān)于第i個(gè)指標(biāo)的規(guī)范化屬性值。

3)構(gòu)建規(guī)范化準(zhǔn)則決策矩陣R0。對(duì)同一準(zhǔn)則層及其下屬指標(biāo)層的指標(biāo)，采用層次分析法［10］確定指標(biāo)層權(quán)重后，將指標(biāo)層屬性值加權(quán)平均得到的值作為準(zhǔn)則層指標(biāo)的屬性值。顯然，得到的準(zhǔn)則層決策矩陣為規(guī)劃化矩陣。

4)采用TOPSIS(理想解法)［10］求解最優(yōu)方案。在獲得規(guī)范化準(zhǔn)則決策矩陣后，采用TOPSIS求解上述m個(gè)決策方案的權(quán)重并對(duì)方案進(jìn)行排序，從而得到最優(yōu)方案。

通過以上步驟決策出通用模塊實(shí)例后，需要進(jìn)一步進(jìn)行計(jì)算校核、仿真、試驗(yàn)，以判斷已有實(shí)例是否滿足性能需求。若不滿足，則需要重新設(shè)計(jì)1個(gè)模塊實(shí)例并進(jìn)行校核，直至滿足需求。

3 基于關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)的地鐵車輛轉(zhuǎn)向架柔性模塊設(shè)計(jì)

地鐵轉(zhuǎn)向架柔性模塊設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是分析技術(shù)指標(biāo)與模塊設(shè)計(jì)參數(shù)之間的關(guān)系，構(gòu)建支持參數(shù)化變型設(shè)計(jì)的3D結(jié)構(gòu)模型。關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)變型設(shè)計(jì)的一種關(guān)鍵技術(shù)，該技術(shù)利用參數(shù)化設(shè)計(jì)原理建立零部件間的驅(qū)動(dòng)關(guān)系，表現(xiàn)為零部件間幾何元素的重用，并使用上游零部件設(shè)計(jì)信息對(duì)下游設(shè)計(jì)過程進(jìn)行約束和控制［11］。目前，大部分CAD(計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì))軟件都支持產(chǎn)品的關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)。CATIA(交互式CAD/CAE(計(jì)算機(jī)輔助工程)/CAM(計(jì)算機(jī)輔助制造)系統(tǒng))軟件通過發(fā)布、帶鏈接粘貼等功能支持關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)，并且這些功能可以有效梳理零部件之間的鏈接關(guān)系［11］。本文以CATIA軟件為平臺(tái)，結(jié)合CATIA中GSD(創(chuàng)成式外型設(shè)計(jì))、KWE(知識(shí)工程)、ASD(裝配體設(shè)計(jì))和PDG(零件體設(shè)計(jì))4個(gè)模塊，采用關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)技術(shù)構(gòu)建柔性模塊的變型結(jié)構(gòu)模型，包括骨架模型與零件體三維模型。其中，骨架模型包括設(shè)計(jì)基準(zhǔn)，設(shè)計(jì)參數(shù)，以及設(shè)計(jì)規(guī)則3類信息;零件三維模型除包含上述元素外，還有拉伸等實(shí)體特征。柔性模塊的變型結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建流程及結(jié)果如圖2所示，具體步驟如下:

圖2 地鐵車輛轉(zhuǎn)向架柔性模塊設(shè)計(jì)流程Fig.2 Design process of metro vehicle bogie flexible module

3.1 頂層骨架模型構(gòu)建

1)分析轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)、接口等信息。在GSD模塊中，新建轉(zhuǎn)向架的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)，如軌面、轉(zhuǎn)向架縱(橫)向平面等。

2)在KWE模塊中，新建定位尺寸參數(shù)，如軸距、空氣彈簧間距等。

3)分析設(shè)計(jì)基準(zhǔn)之間的關(guān)系，添加參數(shù)間的約束關(guān)系。轉(zhuǎn)向架骨架模型構(gòu)建完成后，通過“發(fā)布”命令發(fā)布骨架元素。

3.2 下游骨架模型構(gòu)建

下游骨架模型的構(gòu)建方法與頂層骨架模型的構(gòu)建方法類似。在ASD模塊中，下游骨架模型需要基于頂層骨架模型構(gòu)建，通過帶鏈接粘貼的方式引用頂層骨架模型的元素，最后完成下游骨架的參數(shù)化建模并發(fā)布骨架元素。

3.3 零件體三維模型構(gòu)建

1)在PDG模塊中，引用上層骨架元素構(gòu)建零件的三模實(shí)體模型;

2)創(chuàng)建零件的設(shè)計(jì)參數(shù)或引用上層骨架的設(shè)計(jì)參數(shù);

3)添加參數(shù)間的約束關(guān)系，完成零件體的參數(shù)化建模。

采用關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)技術(shù)構(gòu)建的柔性模塊將能有效支持轉(zhuǎn)向架零部件的快速有序變型及裝配。

4 實(shí)例分析

本文以A型地鐵轉(zhuǎn)向架為例，對(duì)提出的地鐵轉(zhuǎn)向架柔性產(chǎn)品平臺(tái)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行驗(yàn)證，包括轉(zhuǎn)向架通用模塊與柔性模塊的設(shè)計(jì)。

4.1 轉(zhuǎn)向架通用模塊設(shè)計(jì)

本文以側(cè)梁梁體為例，闡述通用模塊的設(shè)計(jì)過程及其方法。具體設(shè)計(jì)過程如下:

1)整理某主機(jī)關(guān)于A型地鐵已有側(cè)梁梁體實(shí)例，分析每個(gè)模塊實(shí)例的差異度、使用度、MTBF(平均無故障時(shí)間)、成本等信息，構(gòu)建3×5的初始化決策矩陣。

2)采用第2節(jié)所述方法形成歸一化的準(zhǔn)則決策矩陣，見表2。

表2 準(zhǔn)則層多屬性決策規(guī)范化矩陣Tab.2 Criterion-level multi-attribute decision-making normalization matrix

3)采用TOPSIS方法得到各方案的相對(duì)貼近度:{C1，C2，C3}={0.746 5，0.218 2，0.2535}。

由此可知，實(shí)例Sidebeam1-80的相對(duì)貼近度最大。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算與仿真，以驗(yàn)證該實(shí)例是否滿足A型地鐵轉(zhuǎn)向架平臺(tái)所定義的性能需求。經(jīng)校核，Sidebeam1-80滿足要求。因此，將Sidebeam1-80視為A型地鐵轉(zhuǎn)向架平臺(tái)側(cè)梁梁體的通用實(shí)例。在后續(xù)A型地鐵轉(zhuǎn)向架訂單中，可以直接重用該實(shí)例以降低模塊的研發(fā)成本。

4.2 轉(zhuǎn)向架柔性模塊設(shè)計(jì)

A型地鐵轉(zhuǎn)向架平臺(tái)的柔性模塊包括車輪、車軸等。本文以車軸模塊為例，闡述柔性模塊的設(shè)計(jì)過程及方法:首先，構(gòu)建轉(zhuǎn)向架骨架模型;然后，引用轉(zhuǎn)向架骨架模型信息構(gòu)建輪對(duì)骨架模型;最后，基于輪對(duì)骨架模型，構(gòu)建車軸三維模型。轉(zhuǎn)向架柔性模塊構(gòu)建結(jié)果如圖3所示。在后續(xù)A型地鐵轉(zhuǎn)向架訂單中，可以直接重用該模型進(jìn)行變型設(shè)計(jì)，從而提高模塊的設(shè)計(jì)效率。

圖3 地鐵車輛轉(zhuǎn)向架柔性模塊(車軸)構(gòu)建結(jié)果Fig.3 Construction result of metro vehicle bogie flexible module(axle)

5 結(jié)語

為了快速響應(yīng)客戶個(gè)性化的需求、提高零部件的重用率，本文定義了地鐵車輛轉(zhuǎn)向架柔性產(chǎn)品平臺(tái)的內(nèi)涵，提出一套地鐵通用模塊與柔性模塊設(shè)計(jì)方法。前者所構(gòu)建的通用模塊實(shí)例可以提高模塊的重用率，后者所構(gòu)建的柔性模塊模型可以提高模塊的變型設(shè)計(jì)效率。以側(cè)梁梁體和車軸為例，驗(yàn)證了所提方法的可行性與有效性。